(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、はんだ付けされた電子部品における接合強度を高め、電子機器の様々な使用環境における動作信頼性を向上させることにある。【解決手段】  本発明者らは、はんだ接合界面を強固にする元素であるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏを微量添加することで、落下衝撃によるはんだ接合部における低信頼性破断を防止できることを見いだし、本発明に到達した。  すなわち本発明は、質量％で０．１〜５％のＣｕと、０．１〜１０％のＩｎと、合計で０．００２〜０．０５％のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる一種以上の元素と、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなるはんだ合金、及び質量％で０．１〜１％のＡｇと、０．１〜５％のＣｕと、０．１〜１０％のＩｎと、合計で０．００２〜０．０５％のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる一種以上の元素と、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなるはんだ合金である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で０．１〜５％のＣｕと、０．１〜１０％のＩｎと、合計で０．００２〜０．０５％のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる一種以上の元素と、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
【請求項２】
質量％で０．１〜１．５％のＡｇと、０．１〜５％のＣｕと、０．１〜１０％のＩｎと、合計で０．００２〜０．０５％のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる一種以上の元素と、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
【請求項３】
請求項１または２に記載のはんだ合金が球状化されてなることを特徴とするはんだボール。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載のはんだ合金またははんだボールと電極とが接合されてなることを特徴とするはんだ接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品等のはんだ付けに使用されるはんだ合金、はんだボール及びはんだ接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今の電子機器実装面積の減少に伴って半導体パッケージも小型化傾向にあり、半導体パッケージをマザーボードに接続する実装形態も、従来のリードを用いた周辺端子型から格子状に端子を形成したタイプへ変遷しつつある。代表的なものがＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）であり、端子部ははんだボールや、はんだペーストを用いて基板に接続されている。
【０００３】
ＢＧＡはリード部品のようにリード部で外力などを緩和できず、はんだ接続部に直接負荷が加わる構造であるため、機器落下等の衝撃や、機器の使用環境、機器温度の上昇等に伴う熱応力に対して非常に敏感である。また、はんだバンプの接続部ははんだの表面張力で樽型になっているため、はんだ接続部の金属間化合物が形成された接合界面近傍に応力が集中しやすい。従って，はんだ接合強度は、この化合物層自体の強度に大きく左右されると考えられる。すなわち、金属間化合物の破壊じん性値（ＫＩＣ＝１〜２  ＭＰａ・ｍ１／２程度）は、母材であるはんだ等の金属（ＫＩＣ＝１０２〜１０３  ＭＰａ・ｍ１／２程度）のそれに比べると格段に小さく脆いため、粗大に成長したものは内部欠陥を起点として粒内破壊を起こしやすく、粒そのものの著しい成長がなくても、化合物層自体が厚く成長していれば粒界で破壊しやすくなる。したがって、化合物中での破断ははんだ接合部の信頼性を著しく低下させる原因となっている。
【０００４】
加えて、近年の環境問題への取り組みの一つとして、はんだのＰｂフリー化が世界的に進められており、従来用いられてきたＳｎ−Ｐｂはんだは使用禁止になりつつある。代替合金の主たるものはＳｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等多数あるが、基本的にＳｎ主成分であるためＳｎ−Ｐｂ共晶はんだに比べると延性に乏しく、外力をはんだの変形で緩和することが困難になっている。特に、Ａｇははんだ主成分であるＳｎとの共晶点においてＳｎ−Ａｇ化合物を分散晶出させるため、Ａｇによるはんだの硬化は著しい。一方、ＣｕはやはりＳｎとの共晶点において化合物を晶出させるがＡｇほどはんだを硬化させないので、Ｓｎ−Ｃｕ系は落下等の衝撃に耐えうる変形抵抗の小さいはんだとして有効な組成の一つである。
【０００５】
そこで、従来、Ｓｎ−Ｃｕ系では熱疲労特性の優れた合金として、Ｓｎ−Ｃｕ系のはんだ合金にＩｎを加えたＳｎ−Ｃｕ−Ｉｎ系のはんだ合金の実用化が検討されている。（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２０００−１９００９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら本発明者がＳｎ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだ合金について検討した結果、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金よりは改善されるものの、やはり以下の機械的特性が問題となることが明らかとなった。
【０００７】
即ちＳｎ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだ合金では、ＩｎがＳｎに固溶するため、固溶強化によりはんだは硬くなるのである。上述したように電子部品でははんだ接続部に直接負荷が加わる構造であり、機器落下等の衝撃や、機器の使用環境、機器温度の上昇等に伴う熱応力に対して非常に敏感である。これに対してＩｎにより固溶強化されたＳｎ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだ合金においても、実用上十分な程度にまではんだ接合部で応力を緩和することが困難であり、従って電子部品使用時における外力等によりはんだ接続部の破断を生じやすくなるのである。
【０００８】
本発明の目的は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金と比べて強固な接合界面と易変形性を併せ持つＳｎ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだ合金であって、さらに落下衝撃等の衝撃に対する接合信頼性を向上させたＰｂフリーのはんだ合金、はんだボール及びはんだ接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、はんだ接合界面を強固にする元素であるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏを特定量添加することで、落下衝撃によるはんだ接合部における低信頼性破断を防止できることを見いだし、本発明に到達した。
【００１０】
すなわち本発明は、質量％で０．１〜５％のＣｕと、０．１〜１０％のＩｎと、合計で０．００２〜０．０５％のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる一種以上の元素と、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなるはんだ合金、及び質量％で０．１〜１．５％のＡｇと、０．１〜５％のＣｕと、０．１〜１０％のＩｎと、合計で０．００２〜０．０５％のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる一種以上の元素と、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなるはんだ合金である。
これらのはんだ合金は、球状化してはんだボールとして用いることが好ましい。
【００１１】
上述のはんだ合金またははんだボールは電子部品等の電極と接合してはんだ接合体とする用途に好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によって、はんだ付けされた電子部品における接合強度を高めることができ、電子機器の様々な使用環境における動作信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
上述のように本発明の重要な特徴は、ＰｂフリーはんだであるＳｎ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだ合金にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏを特定量添加した点にある。
【００１４】
先ず本発明のはんだ合金の一つである、質量％で０．１〜５％のＣｕと、０．１〜１０％のＩｎと、合計で０．００２〜０．０５％のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる一種以上の元素と、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなるはんだ合金について述べる。
このＳｎ−Ｃｕ−Ｉｎ系のはんだ合金は、上述のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ合金と比べて、高速な負荷に対するはんだの変形抵抗が小さいという特徴を有する。これはＣｕ、Ｉｎの共晶組織はＣｕ、Ａｇとの共晶組織と比べてはんだの硬さに及ぼす影響が極めて小さいためである。この特徴により、使用時の落下によって衝撃が加わる携帯機器等の高速な負荷を生じる用途においてもＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ合金と比べて高い接合信頼性が得られるのである。
【００１５】
Ｓｎ−Ｃｕ−Ｉｎ系の溶融はんだ合金においてＩｎを０．１〜１０％とするのは、０．１質量％以上のＩｎを添加することでＡｇを添加した場合に見られる程にははんだ合金を硬化させることなく融点を下げることができ、さらにはんだ溶融時の濡れ性を向上させることができる為である。その一方、過剰に添加するとＳｎへの固溶強化によりやはりはんだの変形抵抗は上昇するので、１０質量％を上限とする。
【００１６】
またＣｕの含有量を０．１〜５質量％とするのは、Ｃｕが０．１質量％未満では、Ｃｕ電極と接続する際にはんだを溶融させると、その溶解限まで溶融はんだ中にＣｕ電極のＣｕが溶け込むことになり、その結果Ｃｕ電極量が減少して接合部の強度が低下する為である。０．１質量％以上のＣｕを予めはんだ合金中に含有させることで、この強度の低下を抑制することができるのである。また、Ｃｕは適度な含有量であればはんだ合金の融点を低下させる効果も有する。しかしながら、過度に添加すると逆に融点を上昇させるため、その含有量は５質量％以下とする。
【００１７】
次に、本発明において重要な特徴であるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる一種以上の元素を合計で０．００２〜０．０５質量％添加する理由について説明する。
第一に、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏとＳｎとは凝固時に金属間化合物を形成するが、これらの金属間化合物は晶出温度がはんだ母材と比べて高い。この為Ｃｕ等の電極上でこれらの元素を含むはんだを溶融、凝固した場合には、電極材料とはんだの主成分であるＳｎとの間で形成する金属間化合物の成長に先立ち、電極表面においてＦｅ、Ｎｉ、ＣｏとＳｎとの金属間化合物が晶出する。一度これらの添加元素とＳｎとの金属間化合物が形成すると、電極材料とＳｎとで金属間化合物が形成される際の核として作用するので、形成される電極材料とＳｎとの金属間化合物の粒径を微細にすることができると考えられる。
【００１８】
第二に、化合物内に取り込まれて多元系化合物となった場合は化合物の格子間結合を強固にするため、電極材料とはんだの相互拡散による化合物の成長を抑制することができると考えられる。
【００１９】
従って、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏをはんだに添加したときには、はんだ付け直後は接合界面に形成される微細な金属間化合物粒のために、接合界面そのものの強度が向上して接合信頼性が高められる。また、はんだ付けされた後に半導体パッケージの信頼性テスト等ではんだの融点以下の温度で長時間保持されたり、使用環境から受ける熱や、パッケージを含む電子機器の発する熱で長期間保持された時は、拡散による金属間化合物の成長が抑制されるので、接合界面の強度劣化は妨げられ、やはり接合信頼性は高められるのである。
【００２０】
本発明において発明者らの検討では、上述したＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏの効果は０．００２質量％の極微量でも発揮されうる。一方、０．０５質量％を超える過度のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏの添加は、はんだ及びはんだ接合界面を必要以上に硬化させ、応力負荷時におけるはんだ接合部への応力集中を招き、逆に接合信頼性の低下要因となる。よって本発明におけるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏの添加量は合計で０．００２〜０．０５質量％とする。
【００２１】
また、このＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏの含有量は合計で０．００５〜０．０２質量％とすることが好ましい。０．００５質量％以上の含有量とすることで上述した添加による効果がより明確になる。
一方、本発明において好ましいＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏの含有量の上限を０．０２質量％以下とするのは、０．０２質量％以下であれば、はんだの融点以上、即ち純Ｓｎの場合は２３２℃を上回るような温度で全て液相状態となるためである。これにより０．０２質量％以下であれば、溶融坩堝等の特性に起因して溶融はんだ合金中に多少の温度勾配を生じている場合であっても金属間化合物を晶出することが無く、成分の均質な溶融はんだ合金を得ることが可能となる。
また、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの添加量が０．０２質量％以下であれば、上述した接合界面の硬化をより抑制でき、接合信頼性を向上することができる。
【００２２】
次に、もう一つの本発明のはんだ合金である、質量％で０．１〜１．５％のＡｇと、０．１〜５％のＣｕと、０．１〜１０％のＩｎと、合計で０．００２〜０．０５％のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる一種以上の元素と、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなるはんだ合金について説明する。本はんだ合金においてもＩｎ及びＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる一種以上の元素の規定理由、及び好ましい範囲は上述のＳｎ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだ合金の場合と同じである。
【００２３】
Ａｇは０．１質量％以上含有することではんだ合金の融点を低下させ、またはんだ合金内にＡｇ３Ｓｎ化合物粒として分散することによってはんだ合金の耐熱疲労性も向上させる効果を有する。上述したようにこのようなＳｎ−Ａｇ化合物のはんだ合金中での分散晶出量が多すぎると、はんだ合金の硬度を著しく上昇させ、界面への過多な応力集中を招くが、本発明の如くＡｇとＩｎとを複合して含有し、且つＡｇの含有量を１．５質量％以下とすることで、はんだ合金の硬化を抑制しつつ、融点の低下、耐熱疲労性の向上を達成することができる。
なお、本発明のはんだ合金におけるＡｇの含有量は以下のケースを考慮する場合には、その上限を１質量％とすることが好ましい。
半導体パッケージのマザーボード実装等にはんだ合金を用いる場合、はんだボール等のバルク材のはんだ合金と併せて、Ａｇを含むはんだペーストが用いられることが多い。このようなケースでは、はんだを溶融、接合する際にペーストからはんだ合金内にＡｇが混入し、接合後にははんだ合金におけるＡｇ含有量が増加する。
このようなペーストが同時に用いられるはんだ合金では、はんだ接合後におけるはんだ合金中のＡｇ含有量を１．５質量％以下とするため、本発明のはんだ合金ではＡｇ含有量の上限は１質量％以下とすることが好ましい。
【００２４】
また以上に述べた本発明のはんだ合金は、球状化してはんだボールとして用いることが好ましい。ＢＧＡやＣＳＰ等には格子状端子部をはんだバンプで形成するが、この各はんだバンプのはんだ量を一定にすることは、実装後のＢＧＡやＣＳＰのはんだ接合部における機械的特性を安定させるために重要である。はんだボールを用いて形成するはんだバンプでは個々の体積のばらつきをはんだペーストやはんだリッドを用いる場合と比べて小さくできるので、上述のような格子端子部のはんだバンプを形成するのに適している為である。
【００２５】
上述の本発明のはんだボールは、例えば本発明のはんだ合金を溶融して滴下し、滴下した液滴を球状に凝固することで製造することが好ましい。この製造方法であれば、はんだ合金を一旦インゴットとして鋳造した後、インゴットを機械的に定量分断し、定量分断されたはんだ合金を球状化する方法としてＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏから選ばれる微量に添加する元素を均一に分散させたはんだボールが得られるからである。はんだ合金を溶融して滴下し、滴下した液滴を球状に凝固する製造方法で微量に添加する元素を均一に分散させたはんだボールが得られるのは、溶融はんだ合金では、全ての構成成分の拡散が固体に比べると非常に高速で生じているので、均質に混ざり合っている状態が維持されている為である。そして均質に混ざり合った溶融はんだ合金から直接、液滴を作製し、凝固させてはんだボールとすれば、全てのボール毎の成分比は等しくなり、既に偏析を生じているインゴットを用いる従来の製造方法では得ることが困難であった均質なはんだボールを安定して製造することができるのである。
【００２６】
上述の製造方法は溶融はんだ合金から直接、液滴を製造でき、球状に凝固させることができれば如何なる方法でも適用することができるが、好ましくは、例えば特開２００１−２６２２０４号公報、米国特許公報ＵＳ５２６６０９８等に記載されているような、均一液滴噴霧法を用いるのが良い。均一液滴噴霧法とは、るつぼ内で金属を溶解し、溶融金属をるつぼから排出することにより微小球を製造する方法であり、排出する際に溶融金属に振動を付与することで、排出された溶融金属を体積の均一な微小球とする方法である。
【００２７】
以下に均一液滴噴霧法を適用したはんだボールの製造方法の一例を図１、２に基づいて説明する。
【００２８】
図１において均一液滴発生部１２により体積のそろった均一液滴が形成され、チャンバー８を落下する過程で表面張力により球形となった後、凝固し連続回収缶１３上に堆積する。
図２は図１における均一液滴発生部１２を拡大した図である。溶融はんだ合金１は伝達部材５及び加振ロッド６を介して振動子４により振動を付与された状態で、溶融はんだ合金１にはチャンバー７に対して正の差圧が加えられ、この差圧が溶融はんだ合金１を流れとしてオリフィス２を通して押出す。振動と、溶融はんだ合金１の表面張力とにより、溶融はんだ合金１の流れは連続した滴下溶滴８から、破砕して均一な直径で真球度の高い独立した液滴９を形成する。その後、液滴は、チャンバー内を移動し、ガス中で凝固する。
【００２９】
上記の図１、図２の装置を用いる製造方法では、粒径のバラツキを低減するため、溶融はんだ合金１の液面にかかるるつぼ３内の圧力とチャンバー７内部の圧力とを制御してオリフィス２での溶湯圧力を一定とすることが好ましい。また、冷却管１０内部に冷媒を循環させることで、チャンバー７内部の温度を液滴の凝固に適した温度に保持することが好ましい。
【００３０】
さらに、溶融はんだ合金を押し出す際、独立した液滴９を、高電圧プレート１１を通過させて荷電し、溶滴同士の電気的な反発力により溶滴同士の合体をより効果的に阻止することが好ましい。これにより液滴は同じ極性の電荷が与えられるので、相互に反発して弾き合い再合体せずに個別の独立した状態に留まり、そのため元の直径と球形を保つことができる。
【００３１】
製造されたはんだボールは、油中や水中、或いは溶融はんだに対して不活性な液体に滴下して凝固させ、回収することもできるが、非酸化性ガス中で凝固させて回収するのが好ましい。はんだ液滴を液中で凝固させてはんだボールとした場合には、回収した後には液を洗浄する工程が必要だが、洗浄液中に水分や溶存酸素が含まれると、はんだボール表面を酸化させる原因となる。このとき、表面に存在するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏも同様に酸化するが、これら酸化物ははんだ付け時に用いるフラックスでは活性度が弱すぎて還元することができないため、はんだボールの濡れ不良や接合信頼性の低下につながる。これに対して非酸化性ガス中で凝固させる場合は洗浄工程を必要としないので、上述した問題を容易に回避することが出来るのである。なお、本発明における非酸化性ガスとして具体的には、窒素等の不活性ガスの他、不活性ガスと水素ガスとの混合ガス等が挙げられる。
【００３２】
この製造方法は、特に直径が５０〜１０００μｍのはんだボールを製造する場合に好適である。従来製法では、はんだボール直径が小さくなればなるほど、そのサイズ効果によりボール１つ当たりに存在する偏析の度合いが高まるため、ボール各々の組成バラツキが顕著になるが、本発明では上述の範囲のいかなる粒径でも、組成バラツキの極めて少ないはんだボールを製造することが出来る。
【００３３】
以上に述べた本発明のはんだ合金、またははんだボールとＣｕ等の電気伝導性の高い金属からなる一以上の電極とを接合させたはんだ接合体では、落下衝撃等の衝撃に対する接合信頼性を向上させることができる。
【実施例】
【００３４】
（実施例１）
図１、２に模式図を示す装置を用いて均一液滴噴霧法により、表１に示す組成のφ０．３ｍｍのはんだボールを製造した。これらはんだボールを１５ｍｍ角の半導体パッケージに搭載・リフローしてバンプを形成した。リフローは窒素雰囲気中、ピーク温度２５０℃にて行った。パッケージの電極パッドは防錆処理されたＣｕであり、リフローによってＣｕ６Ｓｎ５相が形成された。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
次に、テスト用ガラスエポキシ基板にニホンハンダ製Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（質量％）ペーストを印刷し、パッケージを実装した。印刷に用いたマスクはＮｉのアディティブ法で作製されており、開口径はφ０．２５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍである。ペーストのフラックス含有量を１５質量％として計算すると、実装後のはんだ接合部に占めるＡｇの含有量は質量％で、組成（ａ）〜（ｄ）、（ｈ）、（ｉ）で０．７％、（ｅ）が約１．３％、（ｆ）が約１．５％、（ｇ）が約１．９％である。
実装のリフロー条件は、バンプ形成条件と同等とした。これら実装基板に携帯機器を模擬するため１５０ｇの錘を貼り付けた後、基板を高さ１ｍ〜２ｍから水平落下させ、落下時の衝撃力に対する接合部の破断の程度を評価した。
評価に際し、予め、落下させる高さと落下時の衝撃力との相関を求めておき、目標の衝撃力となる高さから実装基板を落下させた。落下時の衝撃力は、基板のパッケージ隅のバンプ付近に貼り付けた歪みゲージの最大基板歪みによって評価した。
【００３７】
表２に、表１に示した各組成とパッケージのはんだバンプが破断した最大基板ひずみとの関係を示す。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを添加していない（ｈ）（ｉ）に比べて、添加した本発明の（ａ）〜（ｆ）のはんだは優れた耐衝撃性を示している。よって、本発明によるＳｎ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだ合金へのＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの微量添加は、はんだ接合部の信頼性を高めることが明らかになった。また、接合前のはんだボールにＡｇを１．５質量％含み接合部のＡｇ含有量が１．９質量％である（ｇ）よりも、Ａｇの量を減らした（ｅ）（ｆ）はより優れた耐衝撃性を示した。実用における許容最大基板歪みが０．２％程度であると考えられることから、本発明におけるはんだ接合体のＡｇ含有量は１．５％が上限であることが明らかになった。また、Ｉｎを多く添加した（ａ）（ｂ）も許容歪みに近い値で破断していることから、Ｉｎ添加量も１０質量％が上限であると考えられる。
【００３８】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のはんだボールを製造する装置の一例を示す断面模式図である。
【図２】本発明のはんだボールを製造する装置の均一液滴発生部の一例を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  溶融はんだ合金、２  オリフィス、３  るつぼ、４  振動子、５  伝達部材、６  加振ロッド、７  チャンバー、８  連続した液滴、９  独立した液滴、１０  冷却管、１１  高電圧プレート、１２  均一液滴発生部、１３  連続回収缶
【図１】
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【図２】
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